（大连理工大学公共管理系，大连市，116024） 张竞竞文 马永驰

1 引言

关键基础设施（CIs，Criticalinfrastructures）是由相互独立的网络及系统支撑的架构，由可识的产业、机构（包含人员及制度）及分销方式等方面构成。关键基础设施往往具有稳定输出产品或服务的特点，对提高国防、经济安全，配合政府职能、造福社会等有重要作用[1]。关键基础设施是一国国民赖以生存的基础，更是一国之脉。一旦中断或损坏，将会对人民健康、安全及经济条件造成重大冲击[2]。各国对CIs的分类和定义不尽相同，欧盟发在2005年发布的绿皮书中对关键基础设施进行了分类，其中包括能源、信息与通信、水供应、食物供应、健康、财政、公共安全及法律秩序、民政、交通、化学与核工业、空间研究等等[3]。基础设施之间的相互协调是社会正常运行的根本，关键基础设施之间具有很强的相互关联与影响的关系，然而这种相互依赖关系又是极为脆弱的，易受到外界的干扰和损坏，它使得风险与脆弱性分析变得尤为复杂，这是由于可能发生的风险或故障的连锁传导，比如说：一个普通的故障可能会引发冗余系统同时故障；一个系统发生故障将导致另一个系统随后故障且负荷增加；若某设施的某项功能依赖于另一个基础设施的正常运营，那么所发生的故障将继续传递。也就是说，很小的故障原因可能会导致系统运行状态发生本质的改变，将会使得后果进一步蔓延升级，以至于造成全局故障，甚至对整个社会系统的安全性造成严重威胁。我们今天所有的工作、通信、交通等生活的各个方面都依赖于大型网络，即“关键基础设施”。因此对关键基础设施的相互依赖性问题的研究值得引起各个层面的高度重视，以加强基础设施的风险管理，风险控制的意识，并且通过改进设计、强化管理对危险事件演变为系统故障加以预防，提高关键基础设施的可靠性及可用性，从而避免不必要的人员和财产损失。

2 相互依赖关系

2.1 相互依赖关系的定义

可以将关键基础设施之间的相互关联与相互影响理解为相互依赖。Rinaldi等人[1]认为，“相互依赖关系”是双向的，即一个关键基础设施的现有状态取决于另一个关键基础设施的现有状态，前者同时会对后者产生影响。在描述一个基础设施时，重点关注的是它的系统层次、时间跨度、运行步骤、训练方式、冗余设计，甚至还包括它的所有权及规章制度等。

2.2 相互依赖关系的分类

目前大部分学者所采用的Rinaldi等人[1]对于相互依赖关系分类的定义。他们将相互依赖关系分为四大类：

（1）物理型相互依赖关系，即输入和输出在物理上的耦合性。指关键基础设施间有物质流从一个基础设施流向另一个基础设施。

（2）数字型相互依赖关系，指关键基础设施间存在信息交换。

（3）地理位置型相互依赖关系，指关键基础设施在地理空间上相邻。一个局部的环境事件所能影响的关键基础设施集合都属于这一范畴。

（4）逻辑型相互依赖关系，指两个或两个以上的关键基础设施互有影响，但二者之间没有物理、数字和地理位置的相互依赖关系。

Zimmerman[4,5]对相互依赖关系进行了空间和功能上的区分。空间相互依赖关系是指关键基础设施之间的邻近程度。功能相互依赖关系是指一个基础设施的运行依赖于另一个基础设施。

Zimmerman[5]还列举了关键基础设施相互依赖关系的三个要素：相互连接关系，用于识别故障是如何在系统间产生和传导的。冗余设计，用于找到出故障修复意外的其他系统功能的恢复方式。系统知识，用于进行威胁辨识。

Dudenhoeffer[6]从事件-属性的视角将关键基础设施系统间的相互依赖关系分为五类：物理相互依赖关系，信息相互依赖关系，地理相互依赖关系，政策相互依赖关系以及社会型相互依赖关系。每一种依赖关系都有可能导致非常规突发事件的发生。在2008年南方暴风雪中，多个城市的通信、供水系统的正常运行受到影响，这是物理依赖导致非常规突发事件的例证。Lee[7]从服务提供的视角将基础设施系统间的相互依赖关系分为五类：输入依赖关系，双向依赖关系，共享依赖关系，排他依赖关系以及地理依赖关系。

2.3 主流研究框架

相互依赖关系既是一种契机，也是导致系统脆弱性的关键所在。目前主流的研究关键基础设施相互依赖关系框架有两个，六维度框架（见表1）和CIMS框架。James P.Peerenboom[1]以复杂自适应性为视角，确立了关键基础设施相互依赖关系的基本研究框架，并且提出了从基础设施的环境，耦合与响应特征，失效或破坏类型，基础设施的特征，运行状态和相互依赖类型6个维度对关键基础设施的相互依赖关系进行分析。Rinaldi强调了基础设施间的依赖关系在基础设施保护中的重要性，并总结了基础设施相互依赖关系分析需要考虑的影响因素。但这只是较为粗略的描述性框架，缺乏拓扑维，对于深入细致的研究没有有力的支撑。他们还在此基础上定义了三种故障：连锁故障，指一个关键基础设施的故障会使另一个关键基础设施出现故障。升级故障，指一个关键基础设施的故障会加重或者恶化另一个关键基础设施的异常，并且在这种异常与该故障是彼此不相关的。共因故障，指两种或者两种以上关键基础设施是由于同一种故障原因而产生故障的。

2006年美国爱达荷国家实验室开发了CIMS(critical infrastructures modeling systems)框架，用于对基础设施间依赖关系进行建模与仿真。该框架采用网络留的视角，将基础设施抽象为一个含义节点和边的网络图，利用节点表示基础设施的组件，边来表示基础设施组件间的关系，给出了基础设施几个依赖关系的规范化定义，但较为抽象。

3 相互依赖关系研究方法

3.1 基于经验与知识的方法

基于经验与知识的方法是指对统计数据和实际发生的事件进行后验，并为系统特征进行都度量，它能够反映社会影响的模式，也可用来进行不同基础设施故障传递的描述。Rahman等人[8]从1994年到2005年研究了347个基础设施故障的案例，为探寻基础设施故障的原因以及影响，包括故障所造成的连锁后果。并指出其报告的局限性是不易捕捉到造成故障的具体事件。Zimmerman等人[9]研究了1990年至2002年美国能源部有关停电的报道，对相互依赖关系及其方向进行度量。这一方法的优点是通过现实事件找到故障的具体形式，缺点是不易准发觉故障机理。

表1 六维度

3.2 建模与仿真

建模与仿真方法通过模拟相互依赖系统的行为来探究干扰是如何在系统间传递并且对不同关键基础设施造成影响的。目前有关此领域的建模与仿真主要包括以下几类。

3.2.1 网络图模型

关键基础设施系统是由一系列功能性子系统及其连接所构成。将子系统抽象为节点、连接抽象为边，并赋予点和边功能属性，从而建立系统网络图模型。Lee等[7]通过建立关联层次网络模型定量描述了系统的输入、独享、共享、地理和交互五类作用。这一方法的优点是能够对所研究的问题形成高度结构化的描述，缺点是可能会损失一部分信息。

3.2.2 Agent仿真模型

Agent仿真建模是用Agent表示经济体，用自治性来表示经济体的行为，用Agent间的交互仿真经济行为，后来通过扩展被用于相互依赖关键基础设施系统的仿真。美国Argonne国家实验室开发的Restore模型利用蒙特卡洛方法仿真灾后家基础设施系统的恢复事件及经济成本[10]。这种方法在预测控制和优化方面有很好的应用，但对计算机技术及数据的要求较高，还并不能广泛应用。中抽象胡

3.2.3 物理模型

物理模型是从工程技术的角度出发，依据关键基础设施系统的组分和功能流程进行建模，常用语工程技术特性较强的系统及其关联的分析。美国Los Alamos实验室便是将物理模型应用于关联能源系统建模当中。这种方法能够有效仿真出关联关键基础设施的物理工程特性。

3.2.4 系统动力学模型

系统动力学模型是从物理模型中抽象出系统的主要功能和业务流程，刻画的是关联关键基础设施系统的动力学特性。美国Argonne等国家实验室联合开发了IMCICM[11]模型，用来研究美国全部关键基础设施系统及其相互作用。这种方法能够通过对不同位置不同工作条件下的数据及投影进行量化，反应系统运行和供应需求。

3.2.5 经济模型

Haimes等人[12]以里昂惕夫的经济理论模型为基础，提出了具有相互依赖性的关键基础设施的输入—输出模型IIM。该模型可以被用来进行不同区域的可预期成本与经济弹性之间的权衡。

以上是五种学者们较为常用的建模与仿真模型，虽然建模的框架和工具不尽相同，但总体来看建模的思路主要有两种：一体化模型分析和耦合型分析[13]。所谓一体化模型分析，是指分析时试图将多个关键基础设施及其相互依赖关系置于一个框架之内；所谓耦合型分析，是指将多个单类的关键基础设施模型耦合在一起进行仿真分析,针对多个基础设施子系统，学者们纷纷运用多层耦合网络方法其进行建模，实现了从洲际到城市再到区县不同尺度区域内关联基础设施系统关联或脆弱性的研究。

4 结论与展望

通过回顾近年来有关关键基础设施相互依赖关系方面的研究，不难发现，该领域虽然发展较快，但与预想达到的研究目标仍存在差距。目前来说，该领域的研究仍处于起步和积累的阶段。理论部分还有待丰富和完善，研究方法较多，但还不够成熟。

4.1 从国家的角度来说，国外学者在该领域的研究处于领先水平，尤其是美国，其次是加拿大和欧洲，相比较而言，我国在关键基础设施相互依赖关系领域的知识储备、以及书籍较少，没有形成深入的关键基础设施风险管理的理念，缺乏统一、协调有力的管理机制。

4.2 从理论层面来说，在对关键基础设施相互依赖关系类型的类型划分上，不同学者持有不同的视角，目前主流的两个研究框架也都不够完善，抑或过于抽象抑或过于表面。学界尚未形成统一完整的基础理论体系。

4.3 从研究方法层面来说已有的研究多建立在建模仿真的分析上，通过假设-演绎的范式来分析和理解基础设施间的相互依赖关系，而与之对应，基于经验和知识的方法分析的研究则显得少之又少，这可能与数据的难以获取有关系。基于经验和知识的方法能够利用已有的信息反映出基础设施故障的具体形式，但反应关键基础设施工作情况的数据量往往很大，利用这些数据进行状态评估预测是非常困难的，所以此方法不易找到故障的机理，很难定位到真正的具体故障。而建模与仿真方法可以做到这一点。现有的建模与仿真思路主要分为一体化分析和耦合型分析，按建模工具的不同主要可以分为：网络图模型、Agent仿真模型、系统动力学模型、物理模型以及经济模型。用此方法的研究较为广泛，但在建模与仿真方面笔者认为还需要妥善考虑如下问题：复杂性的处理、抽象和具体的权衡、确定故障事件、度量故障影响、信息获取。关键基础设施相互依赖关系分析没有固定的最佳方法，研究者应当根据所考虑问题的不同而选用相应的方法。

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[13]马永驰:《关键基础设施网间脆弱性分析与保护》,科学出版社，2014版.